船舶电机与电力拖动系统.ppt

第二章 船舶电机与电力拖动 系统 1.1 1.1 直流电机的结构、励磁方式与运行特性直流电机的结构、励磁方式与运行特性 1.2 1.2 变压器变压器 1.3 1.3 交流异步电动机交流异步电动机 1.4 1.4 控制电机及其在船舶上的应用控制电机及其在船舶上的应用 1.5 1.5 船舶常用控制电器船舶常用控制电器 1.6 1.6 异步电动机常用控制电路异步电动机常用控制电路 1.7 1.7 锚机、绞缆机电力拖动控制系统锚机、绞缆机电力拖动控制系统 1.8 1.8 起货机电力拖动控制系统起货机电力拖动控制系统 1.9 1.9 船舶舵机控制系统船舶舵机控制系统 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是 作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。 各种控制电机有各自的控制任务：各种控制电机有各自的控制任务： 如如: : 伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱 动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传动控制对象；测速发电机将转速转换为电压，并传 递到递到 输入端作为反馈信号。输入端作为反馈信号。 本节介绍的各种本节介绍的各种控制电机的主要任务是转换和控制电机的主要任务是转换和 传递控制信号，传递控制信号，能量的转换是次要的。能量的转换是次要的。 控制电机的种类很多，本节只讨论常用的几种控制电机的种类很多，本节只讨论常用的几种: : 伺服电机、测速电机、自整角机。伺服电机、测速电机、自整角机。 对控制电机的主要要求：对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、动作灵敏、准确、 重重 量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 伺服电动机可分为两类：伺服电动机可分为两类： 伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输功能是将输 入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角 速度，驱动控制对象。速度，驱动控制对象。 交流伺服电动机交流伺服电动机 直流伺服电动机直流伺服电动机 4.14.1 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控 制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 4.1.14.1.1 交流伺服电动机交流伺服电动机 交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。 它的定子上装有空间互差90的两个绕组：励磁绕组 和控制绕组，其结构如图所示。 励磁绕组 控制绕组 杯形转子 内定子 交流伺服电动机结构图交流伺服电动机结构图 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 放 大 器 检 测 元 件 控制信号控制信号 + + 控制绕组 励磁绕组 + + + 1 1 励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场。 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相 位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。 交流伺服电动机的接线图和相量图交流伺服电动机的接线图和相量图 (a(a）接线图接线图 1 (b) (b) 相量图相量图 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 控制电压控制电压 与电源电压与电源电压 频频 率相同，相位相率相同，相位相 同或反相。同或反相。 放 大 器 检 测 元 件 控制信号控制信号 + + 控制绕组 交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有 相似之处。相似之处。 励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时， 电机无起动转矩，转子不转。电机无起动转矩，转子不转。 若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流若有控制电压加在控制绕组上，且励磁电流 和控制绕组电流和控制绕组电流 不同相时，不同相时，因此便产生两相旋转因此便产生两相旋转 磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状 态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在在 电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停 转。转。 但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相 异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于 零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现 象称为象称为“ “自转自转” ”。 如何克服如何克服“ “自转自转” ”现象呢？现象呢？ 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 正反向旋转磁场的合成转矩特性正反向旋转磁场的合成转矩特性 ( (正向正向) ) ( (反向反向) ) 正 转 转 反 当单相当单相励磁时，在电动机运行范围励磁时，在电动机运行范围01 1 当单相当单相励磁时，在电动机运行范围励磁时，在电动机运行范围0S0S 1 1 11时，转矩时，转矩 为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同 样为制动转矩。样为制动转矩。 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 加在控制绕组上的控制电压反相时加在控制绕组上的控制电压反相时( (保持励保持励 磁电压不变磁电压不变) )，由于旋转磁场的旋转方向发生变由于旋转磁场的旋转方向发生变 化，使电动机转子反转。化，使电动机转子反转。 加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其 产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁 转矩也不同，从而改变电动机的转速。转矩也不同，从而改变电动机的转速。 不同控制电压下的机械特性曲线不同控制电压下的机械特性曲线 n n= =f f( (T T), ), U U 1 1 = =常数常数 T T U U2 2 0.8 U2 0.6 U2 0.40.4 U U 2 2 o n 交流伺服电动机的机械特性如图所示。交流伺服电动机的机械特性如图所示。 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的 下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时， 电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。 交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W， 电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广 泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中。 应用应用: : 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 4.1.24.1.2 直流伺服电动机直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构与直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相直流电动机基本相 同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。 直流伺服电动机的直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机 相同。 供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两 个独立的电源供电。 U1为励磁电压 ， U2为电枢电压 M U1 I1 I2 U2 放放 大大 器器 U + + 直流伺服电动机的接线图 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 由机械特性可知：由机械特性可知： (1) (1) 一定负载转矩下，当磁通一定负载转矩下，当磁通 不变时，不变时，U U 2 2 n n 。 (2) (2) U U 2 2 =0=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。 电动机反转：电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。改变电枢电压的极性，电动机反转。 直流伺服电机的机 械特性与他励直流电机 相同一样，也可用下式 表示 机械特性曲线如图所示。 直流伺服电动机的 n=f(T)曲线(U1=常数) U2 0.8U2 0.6U2 0.4U2 n T O 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常 应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控 制等。 直流伺服电机输出功率一般为1-600W。 应用：应用： 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 4.24.2 测速发电机测速发电机 测速发电机是一种转速测量传感器。在许 多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的 转速，向控制电路提供与转速大小成正比的信 号电压。 测速发电机分为交流和直流两种类型。 4.2.14.2.1 交流测速发电机交流测速发电机 交流测速发电机又分为同步式和异步式两 种，这里只分析异步式交流测速发电机的工作 原理。 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 1 转子 定子 励磁绕组 输出绕组 异步式交流测速发电机的结构与杯形转子 交流伺服电机相似，它的定子上有两个绕组， 一个是励磁绕组，一个是输出绕组。 输出 绕组 + 励磁 绕组 + 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 工作时，测速发电机的励磁绕组接交流电 源U1，由 U1 4.44 f1N11 可知： 当被测转动轴带动发电机转子旋转时，转 子切割1产生转子感应电势Er和转子电流Ir， 它们的大小与1和转子转速 n 成正比： 转子电流 Ir也产生磁通r ，r 在输出绕组 中感应出电压U2 ， U2的大小与r成正比： 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 综合上述分析可知： 当 U1恒定不变时， U2与n 成正比，这样， 发电机就把被测装置的转速信号转变成了电压 信号，输出给控制系统。 由于铁心线圈电感的非线性影响，交流测 速发电机的输出电压 U2与n 间存在着一定的非 线性误差，使用时要注意加以修正。 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 4.2.24.2.2 直流测速发电机直流测速发电机 直流测速发电机分永磁式和他励式两种。 两种电机的电枢相同，工作时电枢接负载电阻 RL。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场， 因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服 电机相同，工作时励磁绕组加直流电压U1励磁。 他励式直流测速发电机接线图 TGRL I2 U2 + Ra + E I1 U1 + 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时， 电枢产生电动势E，其大小为： 发电机的输出电压为： 上式中代入： 于是 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 可见，当励磁电压U1保持恒定时（ 亦恒 定），若Ra、RL不变，则输出电压U2的大小与 电枢转速 n 成正比。这样，发电机就把被测装 置的转速信号转变成了电压信号，输出给控制 系统。 0 n U2 RL2RL1 RL= RL2 RL1 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 值得注意的是，由于直流电机中存在着电 枢反应现象，使得输出电压U2与转速n 有一定 的线性误差。 RL越小、n 越大，误差越大。因 此，在使用中应使RL和 n的大小符合直流测速 发电机的技术要求。 测速发电机的作用是将机械速度转变为电压 信号，在自动控制系统和计算装置中作为检测元 件、校正元件等。如在恒速控制系统中，测速发 电机将速度转换为电压信号作为反馈信号，达到 调节速度的作用。 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 主要内容有两大部分： l 力矩式自整角机： 主要点：工作原理（如何跟随），结构、特点。 l 控制式自整角机： 主要点：工作原理（输出什么） ，结构、特点。 自整角机在船上主要用作舵角指示器、车钟等。 4.34.3 自整角机自整角机 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 自整角机又称为“软轴”或 “电轴”，接收机跟随发 送机转动。主要有力矩式和控制式两种（此外还有差 动式）。自整角机都是成对配合使用的。 结构：定子三相(整步)绕组，转子单相(励磁)绕组。 协调位置：工作时两个转子都不受力（或无输出 ）所处的位置。 失调角：两个转子与协调位置相差的电角度。 注意 ：力矩式输出力矩；控 制式输出包含相位的电压信号 。 需要大转矩的系统应选用 控制式自整角机。 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 接线：将两机的三相整步绕组对应相互连接，两 机的励磁绕组与同一个单相电源连接。 接交流电源 三相整步绕组 对应相连 发送机接收机 A1X1，B1Y1 ，C1Z1分别是 发送机的定子 三相整步绕组 。 I1II1是发 送机的转子励 磁绕组。 A2X2，B2Y2 ，C2Z2分别是 接收机的定子 三相整步绕组 。 I2II2是接 收机的转子励 磁绕组。 4.3.1 4.3.1 力矩式自整角机力矩式自整角机 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 协调位置：两机的三相整步绕组感应电势大小 相等、方向相反，整步绕组没有电流流过，整步绕 组不产生磁场，转子励磁绕组不受力。 失调时：两机的三相整步绕组感应电势不相等 ，整步绕组流过电流，产生磁场，并与励磁磁场相 互作用（合成磁场），使转子励磁绕组受力。发 送机转子由操作设备控制，其转子不动，只有接收 机转子转动，转动方向为减小失调角的方向。 注意 ：三相整步绕组中的电流是单相电流。 第二章 船舶电机与电力拖动 系统 两机处于协调位置发送机偏转造成失调 失调时两机的受力情况 处于协调位置时，两机 的三相整步绕组感应电势 对应相等，整步绕组中没 有电流流过，气隙只有励 磁磁场，转子都不受力。 失调后整步绕组有电 流，磁场变化，转子受力